二分查找【图文详解】

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简介

  1. 二分法的思想十分容易理解,但是二分法边界处理问题大多数人都是记忆模板,忘记模板后处理边界就一团乱(👁:“我懂了”, ✋ :"你懂个🔨"​)因为我此前也是记忆模板,所以现在想通过一边学习,一边将所学记录成博客教出去(费曼学习法),希望以后能自己推导出边界如何处理,而不仅仅是记忆模板。
  2. 故事分享🏬:

有一天小明到图书馆借了 N 本书,出图书馆的时候,警报响了,于是保安把小明拦下,要检查一下哪本书没有登记出借。小明正准备把每一本书在报警器下过一下,以找出引发警报的书,但是保安露出不屑的眼神:你连二分查找都不会吗?于是保安把书分成两堆,让第一堆过一下报警器,报警器响;于是再把这堆书分成两堆…… 最终,检测了 logN 次之后,保安成功的找到了那本引起警报的书,露出了得意和嘲讽的笑容。于是小明背着剩下的书走了。 从此,图书馆丢了 N - 1 本书。

保安怎么知道只有一本书📖没有登记出借,万一全部都没有登记呢​?
这个故事其实说出了二分查找需要的条件

  • 用于查找的内容逻辑上来说是需要有序的
  • 查找的数量只能是一个,而不是多个

比如在一个有序的数组并且无重复元素的数组中,例如[1, 2, 3, 4, 5, 6],需要查找3的位置就可以使用二分查找。

因为查找的区间是不断迭代的,所以确定查找的范围十分重要,主要就是左右区间的开和闭的问题,开闭不一样,对应的迭代方式也不一样,有以下两种方式:

  • 左闭右闭 [left, right]
  • 左闭右开 [left, right)

算法分析

1. 题目

给定一个 n 个元素有序的(升序)整型数组 nums 和一个目标值 target ,写一个函数搜索 nums 中的 target,如果目标值存在返回下标,否则返回 -1。

  • 示例1:

输入: nums = [-1,0,3,5,9,12], target = 9
输出: 4
解释: 9 出现在 nums 中并且下标为 4

  • 示例2:

输入: nums = [-1,0,3,5,9,12], target = 2
输出: -1
解释: 2 不存在 nums 中因此返回 -1

2. 分析
二分法的思想很简单,因为整个数组是有序的,数组默认是递增的。

  • 首先选择数组中间的数字和需要查找的目标值比较
  • 如果相等最好,就可以直接返回答案
  • 如果不相等
    • 如果中间的数字大于目标值,则中间数字向右的所有数字都大于目标值,全部排除
    • 如果中间的数字小于目标值,则中间数字向左的所有数字都小于目标值,全部排除

二分法就是按照这种方式进行快速排除查找的

1.当数组长度为奇数:
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  • 是奇数的情况很简单,指向中间的数字很容易理解,如果需要查找的数字为29
  • 因为29大于中间的数字大于11,所以左边的所有数字全部排除

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2. 当数组长度为偶数:
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这个时候中间的数字两边的数字数量就不一样了(刚开始学习二分法的时候我经常纠结这个问题,和另外一个长度除2得到的是最中间的数吗的问题,我相信不止我一个人纠结过……但其实这是同一个问题,每次长度除2,如果长度为奇数,得到的中间的数字两边数字数量相同,如果长度为偶数就为上图中间的数字两边的相差为 1)

但是千万不要一直纠结中间的数字两边的数字数量不一样这个问题,因为:

  • 两边数量不一样是一定会出现的情况
  • 但是这种情况并不影响我们对中间数字和目标数字大小关系的判断
    • 只要中间数字大于目标数字,就排除右边的
    • 只要中间数字小于目标数字,就排除左边的

题解及复杂度分析

package org.algorithm;

/**
 * TODO
 *  * @author Leonard
 * @version 1.0
 * @date 2022/1/25 0025 15:40
 * @des  【二分查找法】
 *  * 给定一个n个元素有序的(升序)整型数组nums 和一个目标值target ,
 * 写一个函数搜索nums中的 target,如果目标值存在返回下标,否则返回 -1
 *  */
public class AlgoDemo1 {

    public static int search(int[] nums, int target){
        int low = 0, high = nums.length-1;
        while (low<=high){
            int mid = (high-low)/2 + low;
            int num = nums[mid];
            if (num==target){
                return mid;
            }else if(num > target){
                high = mid-1;
            }else {
                low = mid+1;
            }
        }
        return -1;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {-1,0,3,5,9,12};
        int target = 9;

        search(nums,target);
    }
}
  • 复杂度分析
    • 时间复杂度:O(\log n)O(logn),其中 nn 是数组的长度。
    • 空间复杂度:O(1)O(1)。

总结

二分法最重要的两个点,就是循环条件和后续的区间赋值问题
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因为两者是相互联系,相互影响的,所以就需要两者统一,如果两者不统一,就会出现问题

所以循环条件和赋值问题必须统一,也就是循环不变量。

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一朝游
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